DE102016009179A1

DE102016009179A1 - Verfahren zur Bestimmung des Turbulenzgrades der Strömung einer Strömungsmaschine, insbesondere zur Volumenstrombestimmung sowie Strömungsmaschine zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102016009179A1
Application number: DE102016009179.7A
Authority: DE
Inventors: Roland B. Gentemann; Roland Vonnahme
Original assignee: Wilo SE
Current assignee: Wilo SE
Priority date: 2016-07-29
Filing date: 2016-07-29
Publication date: 2018-02-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines Turbulenzgrades des Volumenstroms (Q) einer Strömungsmaschine (3), bei dem ein Sensor (7) verwendet wird, um einen ersten Wert (QS) für den Volumenstrom (Q) aus einer gemessenen Größe zu ermitteln, und ein zweiter Wert (QB) für den Volumenstrom (Q) aus Größen der Strömungsmaschine (3) berechnet wird. Anschließend wird eine Abweichung (ΔQSB) zwischen dem ersten Wert (QS) und dem zweiten Wert (QB) ermittelt und als Maß für den Turbulenzgrad verwendet. Ein zu hoher Turbulenzgrad kann beispielsweise auf eine nicht korrekte Montage der Strömungsmaschine hindeuten. Ferner kann die Abweichung verwendet werden, um eine Messfehler des Sensors oder einen Berechnungsfehler in Folge der Turbulenzen zu kompensieren. Die Erfindung betrifft ferner eine Strömungsmaschine (3) zur Ausführung der Erfindung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Turbulenzgrades der Strömung einer Strömungsmaschine sowie eine Strömungsmaschine zur Durchführung des Verfahrens. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung des Volumenstroms der Strömungsmaschine unter Berücksichtigung des ermittelten Turbulenzgrades. Ferner betrifft die Erfindung eine Strömungsmaschine, insbesondere ein Pumpenaggregat wie eine Kreiselpumpe, in der das oder die Verfahren implementiert ist/sind.
Für die Regelung und/oder Steuerung von Strömungsmaschinen, wie beispielsweise Kreiselpumpen, ist abhängig von der Art der Regelung bzw. Steuerung in der Regel die genaue Information über den geförderten Volumenstrom erforderlich. Es sind verschiedene Verfahren bekannt, den Volumenstrom zu bestimmen, beispielsweise messtechnisch oder rechnerisch. So kann beispielsweise ein Volumenstromssensor verwendet werden, der den Volumenstrom entweder direkt misst oder aufgrund einer anderen gemessenen Größe ermittelt. Letzteres ist beispielsweise bei Ultraschallsensoren der Fall, die eine Laufzeitdifferenz ermitteln und daraus den Volumenstrom bestimmen. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2012 013 774 A1 beschrieben.
Alternativ gibt es auch Verfahren, die den Volumenstrom aus anderen Größen der Strömungsmaschine kontinuierlich ermitteln, insbesondere berechnen. Dies erfolgt beispielsweise modellbasiert, d. h. unter Zugrundelegung eines mathematischen Modells der Strömungsmaschine ggf. einschließlich des angeschlossenen Rohrsystems, wobei das Modell oder die Modelle die elektrischen und mechanischen bzw. mechanischen und hydraulischen Größen der Strömungsmaschine bzw. des Rohrsystems miteinander verknüpft. Eine modellbasierte Bestimmung des Volumenstroms wird häufig auch Volumenstrombeobachter genannt. Eine modellbasierte Bestimmung der Durchflussmenge einer Kreiselpumpe ist beispielsweise aus der europäischen Patentanmeldung EP 2 696 175 A1 bekannt. In der Regel handelt es sich hierbei jedoch mehr um eine Abschätzung als um eine Berechnung des tatsächlich vorliegenden Volumenstroms.
Es hat sich gezeigt, dass die genannten Ermittlungsverfahren je nach verwendetem Sensor bzw. je nach Genauigkeit des verwendeten Modells mehr oder weniger gute Ergebnisse liefern. Eine wesentliche Ursache für die Qualitätsbeeinflussung der Ermittlungsverfahren liegt darin, dass innerhalb der Strömungsmaschine respektive im Bereich des Meßortes eine stark turbulente Strömung existiert. Diese ist zum einen maßgeblich durch die vom Pumpenlaufrad erzeugte Verwirbelung des geförderten Mediums verursacht. Zum anderen sind jedoch auch externe Einflüsse für die Turbulenzen innerhalb der Pumpeneinheit verantwortlich, beispielsweise ein in Strömungsrichtung vor der Pumpe liegender Bogen bzw. eine Krümmung, ein Ventil oder ein Mischer (2-Wege oder 3-Wege Mischer), eine im Zulauf der Pumpe bewusst angeordnete Obstruktion beispielsweise ein Teil des Sensorkörpers des Volumenstromsensors, oder beispielsweise eine Übergangskante, die infolge nicht koaxial miteinander fluchtender Pumpenflansche auftreten kann.
Um die Turbulenzen zu reduzieren, werden häufig Maßnahmen ergriffen, die unterschiedliche Wirkungen haben und nicht frei von Nachteilen sind. So können beispielsweise Einlaufstrecken, d. h. gerade Rohrabschnitte verwendet werden, um die Strömung zu beruhigen. Diese benötigen jedoch erheblichen Platz. Ferner sind Strömungsgleichrichter bekannt. Diese müssen jedoch zusätzlich montiert werden und führen zu zusätzlichen Kosten.
Während die von der Strömungsmaschine selbst erzeugten Turbulenzen vom Hersteller werksseitig untersucht und bei der Kalibrierung des Volumenstromsensors oder Volumenstrombeobachters berücksichtigt werden können, so dass ihre Einflüsse auf die Sensor- bzw. Beobachterwerte nahezu eliminiert werden können, bleiben die externen Einflüsse für den Hersteller weitgehend unzugänglich. Es besteht somit keine Möglichkeit für den Hersteller, bei der Volumenstrombestimmung Turbulenzen zu berücksichtigen, die durch Bögen, Krümmer, Ventile, Mischer, Obstruktionen, Strömungskanten etc. verursacht werden und die in die Strömungsmaschine gelangen, zumal jede dieser externen Störquellen ihre eigenen charakteristischen Turbulenzen verursacht und der Hersteller nicht weiß, welche Störquelle die Strömungsmaschine an ihrem Einsatzort sehen wird.
Es wäre deshalb von Vorteil, Kenntnis über die Turbulenzen in der Strömungsmaschine zu haben. Dies ermöglicht nicht nur eine Korrektur ermittelter Volumenstromwerte. Vielmehr ermöglicht es auch, eine Optimierbarkeit der Montage der Strömungsmaschine zu erkennen, beispielsweise wenn sich infolge einer nicht konzentrischen Montage des Pumpenflanschs mit dem Gegenflansch des Rohrleitungssystems eine Strömungskante gebildet hat, die in der Strömungsmaschine Turbulenzen erzeugt. Da sich infolge von Turbulenzen die Leistungsaufnahme erhöht und damit der Wirkungsgrad verschlechtert, ist bei Kenntnis des Turbulenzgrades auch eine Wirkungsgradverbesserung der Strömungsmaschine möglich, indem beispielsweise die Einbau- und Montagessituation analysiert und verbessert wird, z. B. durch strömungsberuhigende Mittel.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, das eine qualitative Bestimmung des Turbulenzgrades der Strömung einer Strömungsmaschine, insbesondere eines Pumpenaggregats ermöglicht. Insbesondere soll) ein Verfahren bereitgestellt werden, um den Volumenstrom der Strömungsmaschine trotz Turbulenzen möglichst genau zu ermitteln. Ferner soll eine Strömungsmaschine zur Durchführung des entsprechenden Verfahrens bereitgestellt werden.
Diese Aufgaben werden durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Strömungsmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben und werden nachfolgend erläutert.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem ein erster Wert für den Volumenstrom der Strömungsmaschine aus einer mittels eines Sensors gemessenen Größe ermittelt wird und ein zweiter Wert für den Volumenstrom der Strömungsmaschine aus Größen der Strömungsmaschine berechnet wird, wobei anschließend eine Abweichung zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert ermittelt und als Maß für den Turbulenzgrad verwendet wird. Ferner wird eine Strömungsmaschine mit einer Pumpeneinheit und einer diese antreibenden Elektromotoreinheit sowie mit einem der Pumpeneinheit zugeordneten Sensor und einer Pumpenelektronik vorgeschlagen, in der eine Einrichtung (8) zur Berechnung des Volumenstroms implementiert ist, und die zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der Strömungsmaschine wird aus einer eigentlich redundanten Information ein Mehrwert generiert. Denn obgleich eigentlich keine Volumenstromberechnung erforderlich ist, wenn bereits eine sensorische Ermittlung des Volumenstroms erfolgt bzw. umgekehrt kein Sensor erforderlich ist, wenn bereits eine rechnerische Volumenstromermittlung implementiert ist, so werden dennoch beide Ermittlungwege gleichzeitig genutzt, um jeweils einen eigenen Wert für den Volumenstrom zu erhalten. Deren Abweichung von einander stellt ein Maß für den Turbulenzgrad dar. Anhand der Höhe der Abweichung kann darauf geschlossen werden, dass und in welchem Maße Turbulenzen in der Strömungsmaschine vorliegen, die zudem das Ergebnis der Volumenstromermittlung mittels Sensor oder Berechnungseinheit verfälschen.
Diesem Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich in der Praxis bei turbulenten Strömungen die Kennlinie eines Sensors zur Volumenstrombestimmung und die Kennlinie einer den Volumenstrom berechnenden Einrichtung unterschiedlich, gegebenenfalls sogar gegenläufig verhalten. Je stärker die Abweichung des ersten und zweiten Werts voneinander ist, desto größer sind die Turbulenzen der Strömung in der Strömungsmaschine.
Während der Sensor und die Berechnungseinrichtung bei rein laminaren Strömungen dieselben, unverfälschten Volumenstromwerte liefern sollten, liefert ein Sensor bei Turbulenzen in der Regel einen geringeren und eine Berechnungseinrichtung in der Regel einen höheren Volumenstromwert als er eigentlich vorliegt. Es kommt somit zu einem Unterschied zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert, der zudem auch mit zunehmendem Volumenstrom und somit auch zunehmender Turbulenz zunimmt.
Der ermittelte Turbulenzgrad kann auf unterschiedliche Art verwendet werden. Gemäß einer Ausführungsvariante kann er dazu verwendet werden, eine fehlerhafte Montage der Strömungsmaschine oder einen optimierbaren mechanischen Anschluss an die Verrohrung zu erkennen, wie dies oben bereits erwähnt ist. So kann ein Turbulenzen verursachender Versatz an der Verbindungsstelle des Saugstutzens mit einer Zuführleitung erkannt werden. Ferner können der Strömungsmaschine strömungsberuhigende Mittel wie Gleichrichter oder Einlaufstrecken vorgeschaltet werden, um die Turbulenzen zu reduzieren, wodurch sich letztendlich die Leistungsaufnahme reduziert, um denselben Volumenstrom zu fördern, und damit auch der Wirkungsgrad verbessert wird.
Damit ein Installateur oder anderer Verantwortlicher von den erhöhten Turbulenzen Kenntnis nehmen kann, kann der Turbulenzgrad an der Strömungsmaschine, insbesondere der Pumpenelektronik angezeigt werden. Beispielsweise durch eine Signalleuchte oder als symbolische oder numerische Angabe, insbesondere Wertangabe auf einem Display der Pumpenelektronik. Alternativ oder zusätzlich kann der Turbulenzgrad über eine Schnittstelle wie beispielsweise einer Busschnittstelle ausgegeben werden. Hierdurch kann beispielsweise eine Leitzentrale oder eine Gebäudeautomation über den Turbulenzgrad informiert werden.
Von Vorteil ist es ferner, wenn die Abweichung mit einem Grenzwert verglichen und bei Überschreiten des Grenzwerts eine Meldung, insbesondere eine Alarmmeldung ausgegeben wird. Somit wird der Installateur oder sonstige Verantwortliche ausdrücklich veranlasst, die Gegebenheiten der Strömungsmaschine am Aufstellungsort zu prüfen.
Gemäß einer anderen Ausführungsvariante kann der Turbulenzgrad zur Korrektur des turbulenzbedingt verfälschten ersten und/oder zweiten Volumenstromwerts verwendet werden. Hierdurch ist trotz der Turbulenzen der Strömung eine präzise Bestimmung des Volumenstroms der Strömungsmaschine möglich. Mit dem Verfahren kann somit entweder ein messtechnisch ermittelter, fehlerbehafteter Wert und/oder ein rechnerisch ermittelter, fehlerbehafteter Wert korrigiert werden. Dies wird nachfolgend erläutert.
Der erste Wert kann beispielsweise mit Hilfe eines Volumenstromsensors oder eines Differenzdrucksensors bestimmt werden. Dies bedeutet, dass der Sensor beispielsweise ein Volumenstromsensor oder ein Differenzdrucksensor sein kann. Der Volumenstromsensor kann den ersten Volumenstromwert direkt oder indirekt liefern. Im zweiten Fall wird beispielsweise eine zum Volumenstrom proportionale Größe vom Sensor ermittelt und anschließend in einen Volumenstromwert umgerechnet. Je nach Sensor kann die gemessene Größe also der Volumenstrom selbst oder eine andere Größe sein, aus der der Volumenstrom dann ermittelt wird, wobei diese Ermittlung vom Sensor oder einer nachgelagerten Auswerteelektronik durchgeführt werden kann.
Vorzugsweise kann der Volumenstromsensor den Volumenstrom aus Laufzeitunterschieden von Ultraschallimpulsen ermittelt, mithin also ein Ultraschall-Volumenstromsensor sein. Aus den Laufzeitunterschieden kann der Sensor oder die Auswerteelektronik dann zunächst die Strömungsgeschwindigkeit und daraus dann den Volumenstrom berechnen, wie dies im Stand der Technik an sich bekannt ist. Gemäß einer anderen Ausführungsvariante kann der Volumenstromsensor ein Vortex-Sensor sein. Alternativ kann auch ein magnetisch-induktives Messverfahren angewendet werden. Weiter alternativ kann der Volumenstromsensor ein bestromtes Heizelement mit Temperatursensor sein, das von der Strömung gekühlt wird, wobei die Höhe des fließenden Stroms, der zur Haltung einer bestimmten Temperatur benötigt wird, eine Aussage über die Strömungsgeschwindigkeit ermöglicht, aus welcher dann der Sensor oder die Auswerteelektronik den Volumenstrom berechnen kann.
Ist der Sensor alternativ ein Differenzdrucksensor, der den Druckunterschied zwischen der Saug- und der Druckseite der Strömungsmaschine misst, kann dessen Messwert geeigneterweise unter Verwendung des aktuellen Betriebspunktes und der bekannten Pumpenkennlinien in einen Volumenstromwert umgerechnet werden.
Der zweite Wert kann zum Beispiel von einem Volumenstrombeobachter berechnet werden. Ein geeigneter Beobachter ist beispielsweise der sogenannte Luenberger-Beobachter.
Der zweite Wert kann aus der Drehzahl der Strömungsmaschine einerseits und einer mechanischen Größe, insbesondere dem Drehmoment, oder elektrischen Größe, insbesondere der elektrischen Leistungsaufnahme der Strömungsmaschine andererseits berechnet werden.
Die Abweichung kann gemäß einer Ausführungsvariante durch Bildung der Differenz zwischen dem ersten und zweiten Wert bestimmt werden. Dabei ist es unerheblich, welche Größe der Subtrahend ist. Ferner kann auch der Betrag der Differenz verwendet werden. Gemäß einer anderen Ausführungsvariante kann die Abweichung durch Bildung des Verhältnisses zwischen dem ersten und zweiten Wert bestimmt werden. Auch hier ist es unerheblich, welche Größe der Teiler ist.
Wie bereits ausgeführt, kann aufgrund der Kenntnis des Turbulenzgrades eine Korrektur des messtechnisch ermittelten oder berechneten Volumenstroms erfolgen. Im Betrieb der Strömungsmaschine kann diese Korrektur jedoch nicht ohne weiteres erfolgen, weil aus Sicht der Strömungsmaschine nicht bekannt ist, wie stark der erste und/oder der zweite Wert verfälscht ist, so dass er auch nicht ohne Weiteres korrigiert werden kann.
Diese Herausforderung löst das erfindungsgemäße Verfahren durch eine vorgegebene mathematische Funktion, nachfolgend auch Regressionsfunktion genannt, die herstellerseitig ermittelt wird und einen funktionalen Zusammenhang zwischen einer seitens der Strömungsmaschine ermittelbaren Größe, nämlich der Abweichung der beiden Volumenstromwerte zueinander, und dem Fehler des Sensors oder dem Fehler der Berechnungseinrichtung gegenüber dem realen Volumenstrom beschreibt. Dieser Fehler kann an einem Teststand, wie er in 1 gezeigt ist, vermessen und daraus dann die Funktion ermittelt werden. Die mathematische Funktion ordnet somit einer Abweichung des ersten vom zweiten Wert den entsprechenden Fehler bzw. die Fehlerabweichung des ersten oder zweiten Werts gegenüber dem realen Volumenstrom zu.
Zur Korrektur des messtechnisch ermittelten oder berechneten Volumenstroms kann somit eine vorgegebene mathematische Funktion verwendet werden, die durch Einsetzen der Abweichung eine Fehlerabweichung des ersten oder zweiten Werts zu einem Referenzvolumenstrom, insbesondere zum realen Volumenstrom bzw. einem fehlerfrei oder annähernd turbulenzfrei ermittelten Volumenstrom, liefert. Der erste oder zweite Wert kann dann anschließend um die berechnete Fehlerabweichung korrigiert werden.
Bevorzugt kann die Funktion eine erste Funktion sein, die einen mathematischen Zusammenhang zwischen der Abweichung und der absoluten oder relativen Fehlerabweichung des ersten Werts gegenüber dem Referenzvolumenstrom beschreibt. Alternativ kann die Funktion eine zweite Funktion sein, die einen mathematischen Zusammenhang zwischen der Abweichung und der absoluten oder relativen Fehlerabweichung des zweiten Werts gegenüber dem Referenzvolumenstrom beschreibt. Somit kann in der einen Ausführungsvariante der berechnete zweite Volumenstromwert verwendet werden, um den sensorisch ermittelten ersten Wert zu korrigieren. In der anderen Ausführungsvariante kann der sensorisch ermittelte erste Wert verwendet werden, um den rechnerisch ermittelten zweiten Wert zu korrigieren. In einer Ausführungsvariante können aber auch sowohl die erste als auch die zweite Funktion vorhanden sein, so dass beide Werte jeweils korrigiert werden.
Gemäß der einen Ausführungsvariante, bei der der erste Wert korrigiert werden soll, stellt die Funktion somit eine erste Gleichung dar, die einen mathematischen Zusammenhang zwischen der Abweichung der Werte und der Fehlerabweichung des ersten Werts gegenüber dem Referenzvolumenstrom beschreibt. Gemäß der anderen Ausführungsvariante, bei der der berechnete Wert korrigiert werden soll, stellt die Funktion somit eine zweite Gleichung dar, die einen mathematischen Zusammenhang zwischen der Abweichung der Werte und der Fehlerabweichung des zweiten Werts gegenüber dem Referenzvolumenstrom beschreibt.
Auf diese Weise kann der Volumenstrom der Strömungsmaschine trotz Turbulenzen in sehr guter Näherung zum realen, d. h. tatsächlichen Volumenstrom sensorisch oder rechnerisch ermittelt werden.
Die aus der Funktion ermittelte Fehlerabweichung kann absolut oder relativ bezogen auf den realen, d. h. tatsächlichen Volumenstrom angegeben sein, d. h. beispielsweise in Kubikmeter pro Stunden oder in Prozent. Um diese Fehlerabweichung zu korrigieren, kann der erste oder zweite Wert dann entsprechend um den Betrag der Fehlerabweichung nach oben oder unten korrigiert werden. Dabei kann die Korrektur des ersten Werts oder des zweiten Werts im Falle einer ermittelten absoluten Fehlerabweichung durch Subtraktion dieser Fehlerabweichung vom ersten oder zweiten Wert oder im Falle einer ermittelten relativen Fehlerabweichung durch Multiplikation des ersten oder zweiten Werts mit dem Komplement der Fehlerabweichung zu 100%, d. h. 100% minus Fehlerabweichung, erfolgen.
Die Funktion kann durch ein lineares, quadratisches Polynom oder ein Polynom dritten Grades gebildet sein, beispielsweise in der Art R(ΔQ_SB) = a·(ΔQ_SB)² + b·ΔQ_SB + c im Falle eines quadratischen Polynoms, wobei ΔQ_SB die Abweichung zwischen dem ersten und dem zweiten Wert und a, b, c konstante Koeffizienten sind.
Es ist von Vorteil, wenn die Funktion oder zumindest sie definierende Koeffizienten, wie die zuvor genannten Koeffizienten a, b, c, in einer Pumpenelektronik der Strömungsmaschine hinterlegt sind und die Pumpenelektronik den ersten oder zweiten Wert um die berechnete Fehlerabweichung korrigiert. Somit kann die Strömungsmaschine ohne externe Komponenten selbsttätig die Korrektur vornehmen und dann idealerweise auch sogleich für ihre Steuerung oder Regelung verwenden.
Naturgemäß hat jeder Sensor einen Erfassungsbereich, in dem der Volumenstrom besonders genau ermittelt werden kann. Auch im Falle einer Berechnung des Volumenstromsensor ist die Genauigkeit in einem Bereich höher als in einem anderen Bereich. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann deshalb in einem unteren Volumenstrombereich der zweite Wert und in einem oberen Volumenstrombereich der erste Wert korrigiert und insbesondere zur Steuerung und/oder Regelung der Strömungsmaschine verwendet wird. Es kann somit stets dasjenige Ermittlungsverfahren verwendet werden, das in dem Volumenstrombereich, in dem sich die Strömungsmaschine gerade befindet, die besseren Ergebnisse liefert.
Geeigneterweise kann eine Umschaltung von einer Korrektur des zweiten Werts zu einer Korrektur des ersten Werts erfolgen, wenn der Volumenstrom einen Grenzwert zwischen dem unteren und dem oberen Volumenstrombereich überschreitet. Umgekehrt kann auch eine Umschaltung von einer Korrektur des ersten Werts zu einer Korrektur des zweiten Werts erfolgen, wenn der Volumenstrom den Grenzwert unterschreitet. Somit kann automatisch das bessere Ermittlungsverfahren angewendet werden.
Das Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1: Hydraulischer Kreis/Testaufbau
2: ideale Kennlinien/Volumenstromkurven von Sensor und Beobachter
3: Kennlinien/Volumenstromkurven von Sensor und Beobachter bei Turbulenzen
4: Beispielverlauf einer Regressionsfunktion
5: Vergleich des Sensorfehlers mit und ohne Korrektur
6: Verfahrensablauf zur Bestimmung der Regressionsfunktion
7: Verfahrensablauf bei der Anwendung der Regressionsfunktion
8: Signalflussdiagramm zur Korrektur eines Sensorswerts
9: Signalflussdiagramm zur Korrektur eines Beobachterwerts
1 zeigt einen Testaufbau 1 aus einem hydraulischen Kreis 2, in dem eine Strömungsmaschine 3 in Gestalt einer Kreiselpumpe 3 und ein in Strömungsrichtung beabstandet hierzu angeordnetes, hochpräzises Volumenstrommessgerät 5 integriert sind. Das Volumenstrommessgerät 5 liefert einen Referenzvolumenstrom Q_ref, der annähernd dem von der Kreiselpumpe 3 geförderten realen Volumenstrom Q entspricht, frei von jeglichen Turbulenzen. Hierzu kann beispielsweise ein Strömungsgleichrichter und/oder andere strömungsberuhigende Mittel, beispielsweise eine Einlaufstrecke in Strömungsrichtung vor dem Volumenstrommessgerät 5 in dem hydraulischen Kreis 2 integriert sein.
Soweit nachfolgend die Kreiselpumpe 3 näher beschrieben ist, sei angemerkt, dass diese hier nur als Beispiel einer Strömungsmaschine zu verstehen ist und sich somit jegliche Ausführungen allgemein auf eine Strömungsmaschine, insbesondere ein Pumpenaggregat beziehen.
Der Kreiselpumpe 3 ist ein Volumenstromsensor 7 zugeordnet, der gegebenenfalls baulich in der Kreiselpumpe integriert sein kann, zum Beispiel wie in 1 gezeigt auf der Saugseite, insbesondere im Bereich des Saugkanals z. B. in den Saugstutzen. Ferner weist die Kreiselpumpe 3 eine Pumpenelektronik 4 auf, in der ein Einrichtung 8 zur Berechnung des Volumenstroms beispielsweise ein Volumenstrombeobachter 8 implementiert ist, die im Betrieb der Kreiselpumpe 3 den Volumenstrom berechnet. Die Pumpenelektronik 4 kann baulich eine Einheit mit der Kreiselpumpe bilden oder fernab von dieser angeordnet sein und somit funktional eine Einheit mit ihr bilden. Der Volumenstromsensor 7 liefert seine Messwerte ebenfalls an diese Pumpenelektronik 4, die die Information des Beobachters 8 und/oder Sensors 7 zur Steuerung und/oder Regelung der Kreiselpumpe 3 verwendet.
Der Volumenstromsensor 7 ist hier beispielhaft ein Ultraschallsensor, insbesondere eine Anordnung aus zwei sich gegenüberliegender Ultraschallsensoren, die nach dem Prinzip der Laufzeitmessung Ultraschallimpulse einerseits in Strömungsrichtung andererseits entgegen der Strömungsrichtung aussenden bzw. empfangen, wobei der Sensor 7 aus dem Laufzeitunterschied die Strömungsgeschwindigkeit ermittelt und aus dem bekannten Strömungsquerschnitt anschließend den Volumenstrom Q_S ermittelt. Der Volumenstromsensor 7 liefert somit einen ersten Wert Q_S des zu bestimmenden Volumenstroms Q der Kreiselpumpe 3. Der erste Wert wird nachfolgend daher auch Sensorwert genannt, obgleich es nicht zwingend sein muss, dass der Sensor direkt einen Volumenstromwert ausgibt. Alternativ kann die Berechnung des Volumenstroms aus den Laufzeitunterschieden oder aus der Strömungsgeschwindigkeit auch in der Pumpenelektronik 4 durchgeführt werden, so dass der erste Wert von dieser ermittelt wird.
Der zusätzlich vorhandene Volumenstrombeobachter 8 ist vorzugsweise in Software ausgeführt und berechnet den Volumenstrom Q_B beispielsweise aus der Drehzahl des Pumpenaggregats bzw. des Elektromotors und einer weiteren mechanischen oder elektrischen Größe, beispielsweise aus dem Drehmoment Md oder der elektrischen Leistungsaufnahme P_el. Der Volumenstrombeobachter 8 kann alternativ auch Teil eines mathematischen Modells der Kreiselpumpe 3 sein. Der Volumenstrombeobachter 8 liefert einen zweiten Wert Q_B des zu bestimmenden Volumenstroms Q der Kreiselpumpe 3. Der zweite Wert wird nachfolgend daher auch Beobachterwert genannt, obgleich anstelle des Beobachters auch eine andere Berechnungsart für den Volumenstrom erwendet werden kann.
Bedingt durch die Wirkung des sich drehenden Laufrades der Strömungsmaschine innerhalb der Pumpenkammer liegt im Saugkanal keine laminare, sondern eine turbulente, im Wesentlichen aber zirkulare Strömung vor, die sich zopfartig vom Laufrad in den Saugkanal hinein erstreckt und dadurch die Messung des Volumenstromsensors 7 negativ beeinflusst.
Damit sowohl der Volumenstromsensor 7 als auch der Volumenstrombeobachter 8 überhaupt korrekte Werte liefern, müssen sie grundsätzlich kalibriert werden. Dies erfolgt beispielsweise durch eine Vergleichsmessung mit dem hochpräzisen Volumenstrommessgerät 5. So werden der Volumenstromsensor 7 als auch der Volumenstrombeobachter 8 derart kalibiert, dass sie bei jedem Volumenstrom Q im Wesentlichen denjenigen Wert Q_S, Q_B liefern, den das Volumenstrommessgerät 5 als Referenzvolumenstrom Q_ref misst, welcher als realer Volumenstrom Q_real verstanden werden kann.
2 zeigt ein Diagramm mit den kalibrierten Kennlinien Q_S(Q_ref), Q_B(Q_ref)/Volumenstromkurven des Volumenstromsensors 6 und des Volumenstrombeobachters 8. Bei korrekter Kalibrierung liegen diese Kennlinien übereinander.
Der hydraulische Kreis 2 kann des Weiteren eine Störquelle 6 umfassen, mit welcher Turbulenzen extern zur Kreiselpumpe 3 verursacht werden können, die in die Kreiselpumpe 3 hineinwirken. Hierzu ist die Störquelle 6 in Strömungsrichtung vor und unweit der Kreiselpumpe 3 angeordnet. Die Störquelle 6 kann idealerweise auswechselbar und/oder einstellbar sein. Beispielsweise kann es sich bei der Störquelle 6 um ein Ventil handeln, dessen Ventilkörper in den Strömungsweg eingebracht werden kann und dadurch für Turbulenzen sorgt. Alternativ kann es sich bei der Störquelle 6 um einen Bogen oder Krümmer, einen Mischer oder eine Obstruktion handeln. Eine solche Obstruktion ist beispielsweise ein Wärmemengenzähler, der bestimmungsgemäß in den Strömungsweg gebracht werden muss.
Für die Kalibrierung des Volumenstromsensors 7 sowie des Volumenstrombeobachters 8 ist die Störquelle 6 sinnvollerweise nicht vorhanden oder außer Betrieb, d. h. so eingestellt, dass sie keine Turbulenzen erzeugt. Im Falle eines Ventils ist dieses somit vollständig geöffnet, d. h. sein Ventilkörper nicht im Strömungsweg befindlich. Im Falle eines Bogens oder Krümmers kann dieser in der Regel natürlich nicht in seiner Wirkung geändert werden. In diesem Fall wird er zwecks Kalibrierung entfernt bzw. im Testaufbau 1 gar nicht erst verwendet.
Wird die Störquelle 6 hinzugenommen oder aktiviert, so dass extern zur Kreiselpumpe 3 erzeugte Turbulenzen in diese hineinwirken, so werden die Werte Q_S, Q_B des Volumenstromsensors 6 und des Volumenstrombeobachters 8 verfälscht. Es ergeben sich geänderte Kennlinien Q_S(Q_ref), Q_B(Q_ref), die rein qualitativ in 3 dargestellt sind. Es ist zu erkennen, dass die Beobachterwerte Q_B von den turbulenzfreien Idealwerten des Referenzvolumenstroms Q_ref nach oben und die Sensorwerte Q_S von den Idealwerten des Referenzvolumenstroms Q_ref nach unten abweichen. Es ergeben sich somit Abweichungen ΔQ_B,err, ΔQ_S,err von den Idealwerten, die bei höheren Volumenströmen Q_ref größer als bei geringeren Volumenströmen sind.
Die Sensorkurve Q_S(Q_ref) wird somit flacher je größer die Verwirbelung ist. Denn ein Wirbel in der Messstrecke ist gedanklich eine kreisförmige Bewegung. im Extremfall ein geschlossener Kreis. Beim berechneten Volumenstromwert Q_B(Q_ref) ist es umgekehrt. Je stärker die Verwirbelung ist, desto mehr Arbeit muss der Elektromotor leisten, um das Laufrad der Pumpeneineit zu drehen. Hieraus folgt eine erhöhte Leistungsaufnahme, so dass auch der berechnete Volumenstrom Q_B(Q_ref) steigt, jedenfalls sofern die Leistungsaufnahme zur Berechnung verwendet wird.
Der Kreiselpumpe 3 bzw. ihrer Pumpenelektronik 4 ist es im bestimmungsgemäßen Betrieb nicht möglich zu erkennen, wie groß die Abweichung ΔQ_B,err, ΔQ_S,err des Sensorwerts Q_S oder Beobachterwerts Q_B von dem als real verstehbaren Referenzvolumenstrom Q_ref ist. Insoweit kann die Kreiselpumpe 3 bzw. ihre Pumpenelektronik 4 auch keine Korrektur des entsprechenden Werts durchführen. Hier schafft die erfindungsgemäße Lösung Abhilfe.
Im bestimmungsgemäßen Betrieb der Kreiselpumpe 3 ist es möglich, den Abstand der beiden Werte Q_S Q_B von Sensor 7 und Beobachter 8 zueinander festzustellen, beispielsweise indem die Differenz ΔQ_SB von Sensorwert Q_S und Beobachterwert Q_B berechnet wird. Dabei kann entweder der Beobachterwert Q_B vom Sensorwert Q_S oder der Sensorwert Q_S vom Beobachterwert Q_B subtrahiert werden. Weiter alternativ kann der Betrag der Differenz |Q_S – Q_B| oder |Q_B – Q_S| verwendet werden, so dass es nicht darauf ankommt, welche Größe Q_S oder Q_B der Subtrahend ist. Die Abweichung von Beobachterwert Q_B und Sensorwert Q_S von einander ist ein Maß für den Turbulenzgrad, d. h. dafür, wie stark verwirbelt die Strömung in der Kreiselpumpe 3 insbesondere am Messort ist. Die Abweichung kann alternativ zur Differenz aber auch als Verhältnis des ersten zum zweiten Wert oder des zweiten zum ersten Wert ausgedrückt werden, mithin als als Q_S/Q_B oder Q_B/Q_S.
Anhand von Untersuchungen mithilfe des Testaufbaus 1 können die charakteristischen Kennlinien Q_S(Q_ref), Q_S(Q_ref) des Volumenstromsensors 7 und des Volumenstrombeobachters 8, beispielsweise durch Interpolation oder Approximation der Werte Q_S, Q_B bestimmt und somit für jeden Referenzvolumenstrom Q_ref festgestellt werden, wie groß einerseits die Abweichung AQ_S,err des jeweiligen Sensorwerts Q_S von dem Referenzvolumenstromwert Q_ref ist, den die Volumenstrommesseinrichtung 5 liefert, und wie groß andererseits die Abweichung ΔQ_B,err des jeweiligen Beobachterwerts Q_B zum Referenzvolumenstromwert Q_ref ist.
Die erstgenannte Abweichung ΔQ_S,err stellt den Sensorfehler dar, im Rahmen der Erfindung auch Fehlerabweichung des Sensors 7 genannt. Die zweitgenannte Abweichung ΔQ_B,err stellt den Beobachterfehler dar, der im Rahmen der Erfindung auch Fehlerabweichung des Beobachters 8 genannt ist. Zusätzlich kann anhand der ermittelten charakteristischen Kennlinien Q_S(Q_ref), Q_B(Q_ref) ebenfalls für jeden Referenzvolumenstromwert Q_ref die Differenz ΔQ_SB zwischen dem Sensorwert Q_S und dem Beobachterwert Q_B berechnet werden.
Erfindungsgemäß wird nunmehr zumindest eine mathematische Funktion R₁(ΔQ_SB), R₂(ΔQ_SB) aufgestellt, die einen funktionalen Zusammenhang zwischen der Differenz ΔQ_SB aus Sensorwert Q_S und Beobachterwert Q_B und einer der Fehlerabweichungen ΔQ_S,err oder ΔQ_B,err beschreibt. Diese Funktion R₁(ΔQ_SB), R₂(ΔQ_SB) wird nachfolgend auch Regressionsfunktion genannt. Sie bildet somit eine jede Differenz ΔQ_SB auf die entsprechende Fehlerabweichung ΔQ_S,err, ΔQ_B,err ab. Sie kann z. B. derart gewählt werden, dass gemäß (G1) oder (G2) gilt:

(G1)R₁(ΔQ_SB(Q_ref)) = ΔQ_S,err(Q_ref), um den Sensorfehler zu ermitteln,
(G2)R₂(ΔQ_SB(Q_ref)) = ΔQ_B,err(Q_ref), um den Beobachterfehler zu ermitteln.

Soll ein Sensorfehler korrigiert werden, so kann hierzu eine erste Regressionsfunktion R₁(ΔQ_SB(Q_ref)) verwendet werden, die einen funktionalen Zusammenhang zwischen der Differenz ΔQ_SB aus Sensorwert Q_S und Beobachterwert Q_B und der Fehlerabweichung ΔQ_S,err des Sensors 7 beschreibt. Soll alternativ oder in Kombination ein Beobachterfehler korrigiert werden, so kann hierzu eine zweite Regressionsfunktion R₂(ΔQ_SB(Q_ref)) verwendet werden, die einen funktionalen Zusammenhang zwischen der Differenz ΔQ_SB aus Sensorwert Q_S und Beobachterwert Q_B und der Fehlerabweichung ΔQ_B,ideal des Beobachters 8 beschreibt. Die Fehlerabweichung ΔQ_S,err ΔQ_B,err kann als Absolutwert beispielsweise in Kubikmeter pro Stunde [m³/h] oder als Relativwert in Prozent [%] angegeben sein.
Der Sensorfehler ΔQ_S,err kann durch Q_S – Q_ref oder Q_ref – Q_S oder durch den Betrag einer dieser Subtraktionen angegeben sein bzw. werden. Die Beobachterabweichung ΔQ_B,err kann entsprechend aus Q_B – Q_ref oder Q_ref – Q_B oder aus dem Betrag einer dieser Subtraktionen angegeben sein bzw. werden.
Mit Hilfe der Funktion R₁, R₂ ist es im bestimmungsgemäßen Betrieb der Kreiselpumpe 3, d. h. außerhalb des Testaufbaus 1, insbesondere für die Pumpenelektronik 4 möglich, zu ermitteln, wie groß die Fehlerabweichung ΔQ_S,err, ΔQ_S,err des Sensorwerts Q_S und/oder Beobachterwerts Q_B ist. Sobald die Fehlerabweichung ΔQ_S,err, ΔQ_B,err dann bekannt ist, kann eine entsprechende Korrektur des Sensorwerts Q_S und/oder Beobachterwerts Q_B um diese Fehlerabweichung erfolgen.
Ein rein qualitativer Verlauf einer solchen ersten Regressionsfunktion R₁(ΔQ_SB) ist in 4 dargestellt. Diese bildet die Differenz ΔQ_SB = Q_S – Q_B aus Sensorwert Q_S und Beobachterwert Q_B auf die Fehlerabweichung ΔQ_S,err = Q_S – Q_ref des Sensors 7 ab, vergleiche 3. Da hier rein Beispielhaft der stets größere Beobachterwert Q_B der Subtrahend ist, ist die Differenz ΔQ_SB negativ. Gleiches gilt für die Fehlerabweichung ΔQ_S,err, da der Sensorwert Q_S bei Turbulenzen kleiner als der zu erwartende reale Volumenstromwert Q_ref ist.
Wie bereits angesprochen, kann die erste Regressionsfunktion R₁(ΔQ_SB) gemäß einer Ausführungsvariante einen absoluten Wert für die Fehlerabweichung ΔQ_S,err beispielsweise direkt in der Einheit des Volumenstroms [m³/h] Kubikmeter pro Stunde oder Liter pro Stunde liefern, bzw. so gewählt sein, dass dies dies macht. Dies ist auch in der 4 gezeigt. Ergibt sich beispielsweise anhand der ersten Regressionsfunktion R₁ eine Fehlerabweichung des Sensorwerts von –0,8 m³/h, so muss der Sensorwert Q_S um entsprechend diesen Betrag nach oben korrigiert werden, also um 0,8 m³/h angehoben werden. Gleiches gilt im Falle der zweiten Regressionsfunktion R₂(ΔQ_SB) bezüglich eines Beobachterfehlers Q_B.
Die erste Regressionsfunktion R₁(ΔQ_SB) kann gemäß einer anderen Ausführungsvariante aber auch sogleich einen relativen Wert für die Fehlerabweichung ΔQ_S,err in Prozent liefern bzw. so gewählt sein, dass dies dies macht. Die erste Regressionsfunktion R1 kann folglich sogleich so aufgestellt werden, dass sie einen funktionalen Zusammenhang zwischen der Differenz ΔQ_SB aus Sensorwert Q_S und Beobachterwert Q_B und der relativen Fehlerabweichung ΔQ_S,err/Q_ref des Sensors 7 beschreibt. Gleiches gilt im Falle der zweiten Regressionsfunktion R₂(ΔQ_SB) bezüglich eines Beobachterfehlers Q_B. Dies wird nachfolgend in den Gleichungen (G3) und (G4) gezeigt:

(G3)R₁(ΔQ_SB(Q_ref)) = ΔQ_S,err(Q_ref)/Q_ref, um den Sensorfehler zu ermitteln,
(G4)R₂(ΔQ_SB(Q_ref)) = ΔQ_B,err(Q_ref)/Q_ref, um den Beobachterfehler zu ermitteln.

Ergibt sich so beispielsweise anhand der ersten Regressionsfunktion R₁(ΔQ_SB) eine Fehlerabweichung des Sensorwerts von –5%, so muss der Sensorwert Q_S um entsprechend diesen Betrag nach oben korrigiert werden, also um 5% angehoben werden. Dies kann durch Multiplikation des Sensorwerts Q_S mit 100% – (–5%), d. h. mit dem Faktor 1,05 erfolgen. Gleiches gilt im Falle der zweiten Regressionsfunktion R₂(ΔQ_SB) bezüglich eines Beobachterfehlers Q_B. Bei der Verwendung einer relativen Fehlerabweichung ist zu beachten, dass sie für gegen null gehende Volumenströme gegen unendlich geht.
Die erste und/oder zweite Regressionsfunktion kann beispielsweise eine lineare, quadratische oder auch eine Gleichung 3. Grades sein. So kann die erste und/oder zweite Regressionsfunktion R₁, R₂ beispielsweise im Falle einer quadratischen Gleichung die Gestalt R(ΔQ_SB) = a·(ΔQ_SB)² + b·ΔQ_SB + c besitzen, wobei ΔQ_SB eine Differenz aus Sensor- und Beobachterwert Q_S, Q_B und a, b, c die Koeffizienten der Regressionsfunktion sind. Im Rahmen von Versuchen haben sich beispielsweise Werte von a im Bereich von 2...5·10^–5/(m³/h), Werte von b im Bereich von 0,6 bis 0,9 und Werte von c im Bereich von 330...350 m³/h als sinnvoll herausgestellt. Aufgrund des vergleichsweise geringen quadratischen Anteils (Koeffizient a) kann auch eine lineare Regressionsfunktion angesetzt werden.
5 veranschaulicht rein qualitativ die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand einer Korrektur des Sensorwerts Q_S. Wenn die Kennlinie des Sensors 7 oder des Beobachters 8 wie in 3 quadratisch ist, ergibt sich für die relative Fehlerabweichung Q_S,err/Q_ref eine lineare Kurve, deren Betrag für den Sensors in 5 als durchgezogene Linie dargestellt ist. Durch Anwendung der erfindungsgemäßen Fehlerkorrektur kann der Sensorfehler auf ein Minimum reduziert werden und es kann erreicht werden, dass der Fehler unabhängig von der Höhe des Volumenstroms ist, d. h. annährend konstant über dem realen Volumenstrom ist. Ein geringer Restfehler verbleibt jedoch.
6 veranschaulicht den Verfahrensablauf für die Ermittlung der Regressionsfunktion R1, R2. In einem ersten Schritt S1 erfolgt die Ermittlung einer Sensor- und Beobachterkennlinie Q_S(Q_ref), Q_B(Q_ref) wie sie in 3 beispielhaft dargestellt ist, im Testbetrieb gemäß 1 mit einer Störquelle 6, wobei gleichzeitig der Referenzvolumenstrom Q_ref mittels der Volumenstrommesseinrichtung 5 ermittelt wird. Hierfür wird der Volumenstrom Q von null bis Q_max variiert.
Bevorzugt kann hier die Ermittlung der Beobachterkennlinie Q_B(Q_real) und der Sensorkennlinie Q_S(Q_real) auch unter Verwendung verschiedener, beispielsweise von zwei oder mehr der zuvor genannten Störquellen 6 erfolgen. Aus der Summe aller Sensorwerte Q_S einerseits oder Beobachterwerte Q_B andererseits zu den verschiedenen Störquellen 6 kann dann die Sensorkennlinie Q_S(Q_real) und die Beobachterkennlinie Q_B(Q_real) durch Interpolation bestimmt werden. Dies hat den Vorteil, dass über verschiedene Turbulenzarten gemittelt wird, da herstellerseitig nicht bekannt ist, welche externen Störungen am Einbauort in die Strömungsmaschine hineinwirken.
In einem zweiten Schritt S2 erfolgt dann die Berechnung der Fehlerabweichung Q_S,err, Q_B,err der Sensorwerte Q_S und Beobachterwerte Q_B zum Referenzvolumenstrom Q_ref, wobei hier beispielhaft in beiden Fällen der Referenzvolumenstrom Q_ref von den Sensorwerten Q_S und den Beobachterwerten Q_B angezogen wird.
In einem dritten Schritt S3 erfolgt dann die Bestimmung einer ersten mathematischen Funktion R₁ (Regressionsfunktion), indem ein mathematischer Zusammenhang zwischen der Differenz ΔQ_SB aus den Sensorwerten Q_S und Beobachterwerten Q_B und der zuvor berechneten Sensorfehlerabweichung Q_S,err aufgestellt wird, die jede Differenz ΔQ_SB auf eine solche Sensorfehlerabweichung Q_S,err abbildet.
Entsprechendes erfolgt in einem vierten Schritt S4, der alternativ oder zusätzlich zum dritten Schritt S3 ausgeführt werden kann. Hier erfolgt dann die Bestimmung einer zweiten mathematischen Funktion R2 (Regressionsfunktion), indem ein mathematischer Zusammenhang zwischen der Differenz ΔQ_SB aus den Sensorwerten Q_S und Beobachterwerten Q_B und der zuvor berechneten Beobachterfehlerabweichung Q_B,err aufgestellt wird, die jede Differenz ΔQ_SB auf eine solche Beobachterfehlerabweichung Q_B,err abbildet.
Die Bestimmung der ersten und/oder zweiten Regressionsfunktion R₁, R₂ erfolgt, indem die Koeffizienten (b, c ggf. a) eines Polynoms berechnet werden, das die genannte Abbildung erreicht. Die Regressionsfunktion(en) R1, R2, insbesondere deren Koeffizienten wird/werden anschließend in Schritt S5 in der Pumpenelektronik 4 hinterlegt.
Anstatt von Koeffizienten können auch Stützstellen in einer Tabelle hinterlegt werden. Dies bietet sich beispielsweise an, wenn die Pumpenelektronik einen nicht so leistungsfähigen Mikroprozessor oder Mikrocontroller handelt. Anhand der Stützstellen kann dann abschnittsweise ein Wert berechnet werden. Zwischenwerte können durch z. B. lineare Interpolation berechnet werden.
7 veranschaulicht nun das erfindungsgemäße Verfahren, das im bestimmungsgemäßen Betrieb der Strömungsmaschine 3 ausgeführt wird. Das Verfahren beginnt mit der Messung des Volumenstroms mittels des Volumenstromsensors 7 sowie der Berechnung des Volumenstroms mit Hilfe des Volumenstrombeobachters 8, so dass ein Sensorwert Q_S und ein Beobachterwert Q_B vorliegen. Aus diesen Werten erfolgt nun wahlweise die Berechnung der Sensorfehlerabweichung in Schritt S7 und/oder die Berechnung der Beobachterfehlerabweichung in Schritt S8.
Hierzu wird zunächst die Differenz ΔQ_SB aus dem Sensorwert Q_S und dem Beobachterwert Q_B bestimmt, Schritt S7a, S8a. Dabei ist beispielhaft der Beobachterwert der Subtrahend. Anschließend wird diese Differenz ΔQ_SB in die entsprechende, in der Pumpenelektronik 4 hinterlegte Regressionsfunktion R₁, R₂ eingesetzt, um die Sensortehlerabweichung Q_S,err zu berechnen, Schritt S7b, und/oder um die Beobachterfehlerabweichung Q_B,err zu berechnen, Schritt S8b.
Ist die Sensorfehlerabweichung Q_S,err nun bekannt, kann die Korrektur des Sensorwerts Q_S erfolgen, indem der Fehler Q_S,err von dem Sensorwert Q_S abgezogen wird, Schritt S9. Es ergibt sich dann der korrigierte Sensorwert Q_S,corr. Ist entsprechend die Beobachterfehlerabweichung Q_B,err bekannt, kann die Korrektur des Beobachterwerts Q_B erfolgen, indem der Fehler Q_B,err von dem Beobachterwert Q_B abgezogen wird, Schritt S10. Es ergibt sich dann der korrigierte Beobachterwert Q_S,corr.
Beispielhafte Signalflussdiagramme zu diesem Verfahren sind in 8 und 9 dargestellt, wobei 8 die Sensorfehlerkorrektur und 9 die Beobachterfehlerkorrektur veranschaulicht.
Vorzugsweise kann in einem ersten Volumenstrombereich der mit Hilfe der ersten Regressionsfunktion korrigierte Sensorwert für die Bestimmung des Volumenstroms und in einem zweiten Volumenstrombereich der mit Hilfe der zweiten Regressionsfunktion korrigierte Beobachterwert für die Bestimmung des Volumenstroms verwendet werden. Geeigneterweise kann zwischen der Berechnung mittels der ersten Regressionsfunktion und der Berechnung mittels der zweiten Regressionfunktion umgeschaltet werden, sobald sich der Volumenstrom von dem ersten Volumenstrombereich in den zweiten Volumenstrombereich oder umgekehrt bewegt. Vorzugsweise liegt der erste Volumenstrombereich oberhalb des unteren Volumenstrombereichs, da ein Volumenstromsensor bei höheren Volumenströmen eine höhere Messgenauigkeit besitzt als bei geringeren Volumenströmen, bei denen dann vorzugsweise der Beobachter zur Volumenstrombestimmung eingesetzt wird.
Zusammenfassend kann nun Folgendes festgestellt werden:
Die Genauigkeit von Volumenstromsensoren wird in der Regel durch das Strömungsprofil beeinflusst. Häufig werden Ein- und Auslauf-Beruhigungsstrecken vorgeschrieben, damit der Sensor genau messen kann. Baut man solch einen Sensor in eine Pumpe ein, so kommt es zusätzlich zu den externen Anströmungseffekten zu einem Einfluss der Verwirbelung durch das Pumpenlaufrad. Drittens, können Verwirbelungen direkt am Sensor entstehen, welche zusätzliche Messfehler verursachen können. Diese Fehler aufgrund des unterschiedlichen Strömungsprofils im Durchströmungsbereich des Sensors treten bei Einzelpumpen aber auch bei Doppelpumpen auf. Bei Doppelpumpen kommt die gegenseitige Beeinflussung der beiden Strömungskanäle hinzu. Aufgrund der in der Praxis vorgegebenen Einbausituation ist es oft nicht möglich die erforderlichen Beruhigungsstrecken vorzusehen. Auch der Abstand des Sensors zum Pumpenlaufrad kann nicht beliebig vergrößert werden, da es in der Regel feste Einbaulängen für bestimmte Pumpengrößen gibt. Messfehler durch die Nähe zum Pumpenlaufrad, können zumeist bei der Entwicklung durch Hinterlegen einer entsprechenden Kennlinie verringert werden, aber auch hier kann die Auswertung einer zusätzlichen Größe wie z. B. des Volumenstrombeobachters hilfreich sein. Die Einbausituation und auch zeitlich veränderliche Umstände, wie z. B. ein Regelventil vor der Pumpe können hingegen werkseitig typischerweise nicht verringert werden.
Das beschriebene Verfahren dient zur Verbesserung der Genauigkeit bei der Bestimmung des Durchflusses in einer Kreiselpumpe. Hierfür wird ein beispielsweise aus einer mechanischen oder elektrischen Größe (elektrische Leistung oder Drehmoment) und der Drehzahl berechneter Volumenstromwert (Volumenstrombeobachter) auf geeignete Weise mit einem Volumenstromwert eines Volumenstromsensors, beispielsweise eines Ultraschallsensors, verrechnet.
Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann auf Ein-, oder Auslaufstrecke, die zu einem erheblichen Bauraumbedarf führen, verzichtet werden. Ferner kann auf Strömungskonditionierer wie z. B. Strömungsgleichrichter verzichtet werden, wodurch die Herstellung preiswerter und aufgrund nicht vorhandener Druckverluste der Wirkungsgrad der Gesamtanordnung verbessert wird.
Volumenstromsensorwert und Beobachterwert werden z. B. subtrahiert und zu dem Fehler des Sensors (Differenz Sensor zu Referenzsensor) in Beziehung gesetzt (bei verschiedenen Anströmungssituationen). Der nun bekannte funktionale Zusammenhang wird genutzt, um den Sensor und/oder Beobachter zu kalibrieren (z. B. Regressionsgleichung oder Lookup Table). Der Sensor kann in das hydraulische Gehäuse der Pumpe integriert sein oder auch separat in der Nähe der Pumpe eingebaut sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei Strömungsmaschinen, die ohnehin mit einem Volumenstromsensor ausgestattet sind, durch reine Software ohne zusätzliche Kosten realisiert werden.
Die Erfindung macht sich die unterschiedlichen physikalischen Prinzipien der pumpeninternen Volumenstromberechnung mit Hilfe der Drehzahl und einer mechanischen Größe (elektrische Leistungsaufnahme oder Drehmoment) und der Volumenstromerfassung durch einen Sensor, insbesondere durch einen Ultraschallsensor zu nutze. Alternativ kann auch der typischerweise beobachtete Differenzdruck/Förderhöhe verwendet werden oder eine andere Hilfssgröße, welche aus der Drehzahl und der mechanischen Größe gebildet wird. Wird die Pumpe beispielsweise aufgrund eines direkt vor der Pumpe positionierten Ventils stark verwirbelt angeströmt, so erhöht sich die Leistungsaufnahme der Pumpe bei gleich bleibendem Gesamtdurchfluss. Im Gegensatz dazu führen Wirbel bei einem Ultraschallsensor, welcher die Laufzeit von Schall (insbesondere die Laufzeitdifferenz) über eine Wegstrecke misst, oft zu geringeren Laufzeiten und somit zu einem Abflachen der Sensorkennlinie. Dieser gegenläufige Effekt kann als Maß für die Verwirbelung des strömenden Mediums verwendet werden. Neben der Kenntnis der Stärke der Strömungsverwirbelung ist es nun möglich einen Korrekturwert zu berechnen, welcher die Effekte der Anströmung weitestgehend reduziert.
Es wird ein funktionaler Zusammenhang des Sensorfehlers von den Beobachter- und Sensorwerten gebildet. Dabei kann zum Beispiel die Differenz vom Beobachter- und Sensorwert oder auch das Verhältnis bestimmt werden. Man erhält also eine Funktion des Fehlers über z. B. der Differenz von Beobachter und Sensor.
Aufgrund von Messunsicherheiten des Sensors und/oder Beobachters kann es erforderlich sein die Korrektur der Volumenstromerfassung auf Bereiche zu beschränken, wo die Genauigkeit von Sensor und/oder Beobachter eine Auswertung sinnvollerweise zulässt. Informationen können von zulässigen Bereichen auf unzulässige Arbeitsbereiche übertragen und ggf. skaliert werden.
Die Volumenstromkorrektur kann aktiv erfolgen, indem die Pumpe bei einer oder mehrerer Drehzahlen kurzzeitig betrieben wird und dann wieder in den eigentlichen Arbeitspunkt wechselt. Die Erfassung der Anströmungssituation kann aber auch passiv erfolgen, indem in jedem Arbeitspunkt, wo die Pumpe betrieben wird, eine Korrektur ermittelt wird. Die ermittelten Werte können in einem Speicher hinterlegt und ausgewertet werden. Es kann aber auch nach Erfassung von mehreren Werten über einen längeren Zeitraum eine Analyse erfolgen, ob die Anströmungssituation zeitlich veränderlich ist und zu welchem Zeitpunkt welche Anströmung vorlag. So kann darauf geschlossen werden, ob sich z. B. ein Regelventil vor der Pumpe befindet, dessen Ventilstellung sich zeitlich ändert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012013774 A1 [0002]
EP 2696175 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Turbulenzgrades der Strömung einer Strömungsmaschine (3), dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Wert (Q_S) für den Volumenstrom (Q) der Strömungsmaschine (3) aus einer mittels eines Sensors (7) gemessenen Größe ermittelt wird und ein zweiter Wert (Q_B) für den Volumenstrom (Q) der Strömungsmaschine (3) aus Größen der Strömungsmaschine (3) berechnet wird, und dass anschließend eine Abweichung (ΔQ_SB) zwischen dem ersten Wert (Q_S) und dem zweiten Wert (Q_B) ermittelt und als Maß für den Turbulenzgrad verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wert (Q_S) mit Hilfe eines Volumenstromsensors (7) oder eines Differenzdrucksensors bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstromsensor (7) den Volumenstrom (Q_S) aus Laufzeitunterschieden von Ultraschallimpulsen ermittelt.
Verfahren nach einem der Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wert (Q_B) von einem Volumenstrombeobachter (8) berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wert (Q_B) aus der Drehzahl der Strömungsmaschine (3) einerseits und einer mechanischen Größe, insbesondere dem Drehmoment, oder elektrischen Größe, insbesondere der elektrischen Leistungsaufnahme der Strömungsmaschine (3) andererseits berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung (ΔQ_SB) durch Bildung der Differenz oder des Verhältnisses zwischen dem ersten und zweiten Wert (Q_S, Q_B) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbulenzgrad an der Strömungsmaschine (3) angezeigt und/oder über eine Schnittstelle ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung (ΔQ_SB) mit einem Grenzwert verglichen und bei Überschreiten des Grenzwerts eine Meldung ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbulenzgrad zur Korretur des ersten und/oder zweiten Werts (Q_S, Q_B) verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Einsetzen der Abweichung (ΔQ_SB) in eine vorgegebene mathematische Funktion (R₁(ΔQ_SB), R₂(ΔQ_SB)) eine Fehlerabweichung (Q_S,err, Q_B,err) des ersten oder zweiten Werts (Q_S, Q_B) zu einem Referenzvolumenstrom (Q_ref), insbesondere dem realen Volumenstrom berechnet wird, und dass der erste oder zweite Wert (Q_S, Q_B) anschließend um die berechnete Fehlerabweichung (Q_S,err, Q_B,err) korrigiert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion (R₁(ΔQ_SB), R₂(ΔQ_SB)) eine erste Funktion (R₁(ΔQ_SB)) ist, die einen mathematischen Zusammenhang zwischen der Abweichung (AQ_SB) und der absoluten oder relativen Fehlerabweichung (Q_S,err) des ersten Werts (Q_S) gegenüber dem Referenzvolumenstrom (Q_ref) beschreibt, oder dass die Funktion (R₁(ΔQ_SB), R₂(ΔQ_SB)) eine zweite Funktion (R₂(ΔQ_SB)) ist, die einen mathematischen Zusammenhang zwischen der Abweichung (ΔQ_SB) und der absoluten oder relativen Fehlerabweichung (Q_B,err) des zweiten Werts (Q_B) gegenüber dem Referenzvolumenstrom (Q_ref) beschreibt.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion (R₁(ΔQ_SB), R₂(ΔQ_SB)) durch ein lineares, quadratisches Polynom oder ein Polynom dritten Grades gebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion (R₁(ΔQ_SB), R₂(ΔQ_SB)) oder zumindest sie definierende Koeffizienten, in einer Pumpenelektronik (4) der Strömungsmaschine (3) hinterlegt sind und die Pumpenelektronik (4) den ersten oder zweiten Wert (Q_S, Q_B) um die berechnete Fehlerabweichung (Q_S,err, Q_B,err) korrigiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in einem unteren Volumenstrombereich der zweite Wert (Q_B) und in einem oberen Volumenstrombereich der erste Wert (Q_S) korrigiert und insbesondere zur Steuerung und/oder Regelung der Strömungsmaschine (3) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltung von einer Korrektur des zweiten Werts (Q_B) zu einer Korrektur des ersten Werts (Q_S) erfolgt, wenn der Volumenstrom (Q) einen Grenzwert zwischen dem unteren und dem oberen Volumenstrombereich überschreitet und/oder eine Umschaltung von einer Korrektur des ersten Werts (Q_S) zu einer Korrektur des zweiten Werts (Q_B) erfolgt, wenn der Volumenstrom (Q) den Grenzwert unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrektur des ersten Werts (Q_S) oder des zweiten Werts (Q_B) im Falle einer ermittelten absoluten Fehlerabweichung (Q_S,err, Q_B,err) durch Subtraktion dieser Fehlerabweichung (Q_S,err, Q_B,err) vom ersten oder zweiten Wert (Q_S, Q_B) oder im Falle einer ermittelten relativen Fehlerabweichung (Q_S,err, Q_B,err) durch Multiplikation des ersten oder zweiten Werts (Q_S, Q_B) mit dem Komplement der Fehlerabweichung (Q_S,err, Q_B,err) zu 100% (100%-Fehlerabweichung) erfolgt.
Strömungsmaschine (3) mit einer Pumpeneinheit und einer diese antreibenden Elektromotoreinheit sowie mit einem der Pumpeneinheit zugeordneten Sensor (7) und einer Pumpenelektronik (4), in der eine Einrichtung (8) zur Berechnung des Volumenstroms implementiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpenelektronik (4) zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15 eingerichtet ist.